智能照明控制技術發展現狀與未來展望

梁人杰

(南京理工大學 測控技術與儀器專業,江蘇 南京 210094)

1 引言

1879年，愛迪生發明了白熾燈，人類從此進入了電氣照明的新時代，白熾燈因此被譽為人類進入現代文明的里程碑。正如很多史學家所認為的，人類照明技術的發展史與人類的文明史同樣久遠。作為照明技術重要內容之一的照明控制技術，也同樣如此。

從愛迪生控制電燈泡的機械式電氣開關開始，照明控制技術的發展，經歷了一個多世紀的發展，如圖1所示。歷史上每一次重大的科技突破，照明控制技術也隨之前進了一大步。迄今為止，照明智能控制技術的發展，已經經歷和跨越了電氣時代、微電子時代、計算機時代和網絡通信時代，并度過了照明光源的幾次革命。今天的照明智能控制技術正是與人類的光源技術、電氣技術、微電子技術、微機技術、自控技術、通信技術和網絡技術的學科交叉，緊密結合和相互滲透的結晶。

圖1 照明控制技術發展歷程與趨勢Fig.1 The development course and trend of lighting control technology

在數碼時代、信息社會、網絡世界的今天，照明智能控制技術把現代照明推向了節能化、智能化、信息化、人性化、藝術化、個性化的全新高度。照明智能控制的重要地位，必不可少，已越來越受到人類的青睞。

電氣化、自動化、智能化是照明智能控制前進的足跡。今后，照明智能控制將伴隨著人類高新技術的征程，向著智慧化的方向前進。

2 優勢與理念

照明智能控制通過節能模型控制、智能開關、智能調光、“軟開/軟關”、紅外傳感器隨機實現“人來燈亮，人走燈滅”或“人來燈亮，人走燈暗”，光敏傳感器結合自然光的恒照度照明，各種燈光場景設定，定時、分時與分區照明，抵御電網波動與浪涌等一系列照明控制策略，可實現照明節能與呵護光源[1～8]。在建筑室內照明智能控制領域，照明節能率可達15%～75%，延長光源壽命2～4倍。在道路照明領域，按目前控制水平，一般節能率約10%～15%，最好的大致也能接近30%左右。

實現室內照明的人性化、個性化和藝術化燈光場景，及其一鍵化的便捷控制，以及城市夜景照明或裝飾照明的各種動態藝術燈光演示，把人類的光環境提升到一個全新的境界。

傳統的光源，特別是曾一度是主流照明光源的氣體放電光源，可控性能極差，開關次數越多壽命越短，大范圍調光會面臨工作狀態的惡化，功率因數補償不盡理想，并非能夠適應與發揮智能照明控制技術的優勢，而LED、OLED、QLED等固態光源，沒有脆弱的燈絲或其陰極，所具有的微秒響應時間的可控特性，豐富的光譜，體積與結構充分的“柔性”，以及能適應任意降功率或調光使用等一系列優勢，成為了智能照明控制技術的天然配偶，使得照明智能控制技術如虎添翼，同時，智能照明控制的功效提升，又更加凸顯了LED等固態光源的優勢，使其變得越發不可戰勝，進一步鞏固和增強其成為主流照明光源的霸主地位。

今后，LED等固態光源與照明智能控制融合，將會突破傳統的照明方法，超越傳統照明的功能，產生史詩般的神奇功績。

推廣綠色照明，追求節能低碳，如果僅一味崇拜光源的發光效率，有失偏頗。照明智能控制自適應的優化控制，能充分發揮照明節能的潛能，可以把實際的照明功率密度值LPD降到極致，遠低于最新照明標準制定的指標。

綜上所述，今天，照明智能控制的優勢已經使人類產生了新的理念。如果忽視照明智能控制，綠色照明事業將會停滯不前，照明的現代化將無從談起，照明智能控制技術已成為綠色照明的基石。

3 現狀與發展

目前，主流的照明智能控制系統主要是總線式照明智能控制系統或網絡、LED城市夜景照明控制系統、城市路燈/景觀照明無線集中監控系統和一體化的LED智能燈具等大類。

3.1 總線式照明控制網絡

國內外，總線式照明智能控制系統或網絡，有基于分布式控制總線DCS(Distributed control System)原理和現場控制總線(Field Control System)原理的測控系統，而目前在建筑照明領域，應用更多的是后者。

現場控制總線是一種由一系列嵌入微處理機的分布式智能控制模塊組成的控制總線，可脫離主控設備運行，不會因上位機故障而癱瘓，可靠性高，是自動控制領域以數字通信替代傳統4～20mA模擬信號傳輸標準和普通開關量信號傳輸方式的新一代控制總線，屬于全數字、可自主運行、串行式、多點互聯、可尋址、雙向通信的智能通信測控系統。基于現場控制總線的照明智能控制系統，遵循ISO/OSI，TCP/IP通信協議和IEEE802局域網(以太網)標準，有與這些標準對應的開放性能、通信帶寬、傳輸速率、傳輸介質和網絡拓撲，為了有效通信，共享介質訪問控制方式采用載波監聽多路訪問/沖突檢驗方式(CSMA/CD)，大多數總線式照明智能控制系統的底層遵循IEEE802局域網標準，采用非屏蔽五類線，全二線聯網，網絡拓撲允許為總線型、星型、樹型，但不可為環型。總線傳輸速率為9.6Kbps。而通過網橋、交換機，或光纖傳輸與光纖交換機，總線式照明智能控制系統可以擴展成中、大型的照明智能控制網絡。

總線式照明智能控制系統所具有的開放性，使得運用智能網關、智能路由器、交換機、光纖與光纖交換機或無線基站AP，幾乎可以與任意不同通信協議的有線或無線通信網絡互聯，如通過RS485、WLAN、Wi-Fi、ZigBee、DMX512、GPRS/3G、4G等，既可靈活升級或擴展成為多功能的或大型和遠程控制的開放系統，又可實現任意地域的便攜電腦、智能手機、平板電腦等手持終端的無線移動式燈光場景監控。

總線式照明智能控制系統，從上世紀90年代后的歷屆奧運會體育場館照明，到大型建筑、工礦企業、道路照明、城市夜景、公共照明、高鐵動車、家居建筑等方面已經得到了大量應用。

照明智能控制系統在多年發展過程中，實際上已從照明控制延伸成為智能建筑、樓宇自動化與建筑能源管理系統。在智能家居中除燈光控制外，還可以實施空調、采暖、窗簾、天窗、A/V系統、安防、消防、電梯等的測控管理。

事實上，由于功能不斷擴展，集成傳感器增多，總線式照明智能控制總線已成為物聯網的成員。

目前，專門面向照明的總線式智能控制系統，國內外品牌繁多[9～15]，主流品種有： Philips SCENIO、C-BUS、Dynet、 HDL-BUS、Lon Works、KNX EIB、GRANDAR、luxCONTROL、Nico、i-bus、Instabus、HomeServer、Futronix、DALI、Lutron、E-lighting、ZEIOT、HOTOP、EC-NET、PrecisetechNet、iisfree、DVACO、LIGHTSPACE等。

但是，迄今的總線式照明智能控制系統，在系統設定上存在專業性太強，編程麻煩，成為普通用戶很難隨意調整設定的電氣系統，難以普及[16，17]。例如：當室內燈光場景編程設定后，如須改變，普通人群無能為力，必須求助專業人士解決。還有，一些感應傳感器性能比較粗糙，例如：紅外感應傳感器僅為單物理參數鑒別，容易產生錯判與誤動作；照度傳感器難以實現較大范圍較準確的照度平均值測量，難以做到照明節能的精準控制；此外，總線式照明智能控制系統主要是綜合布線，安裝麻煩，改造也較繁瑣；還有，如何實現真正優化控制等問題，也需探討如何提升，等等。這都是對今后發展的挑戰。

3.2 工業現場總線用于照明控制

原則上，很多優秀的工業用現場控制總線FCS，只要開發配套足夠的照明控制總線模塊，都可用于照明智能控制，雖價格較高，但性能更優，如：Lon Works和CAN總線等。LonWorks擁有集成3 CPU的“神經元芯片”，并固化了開放式的通信協議LonTalk，全面支持ISO/OSI七層通信模型，網絡拓撲還允許環型，是真正的自由拓撲(Free Topology)，而且對傳輸介質適應能力很廣，允許采用電力線，具有自由傳輸介質(Free transmission medium)的優勢，通信速率可達1.25Mbps。LonWorks開放性強，采用網關等網絡設備，可輕易擴展為任意的大型網絡或無線網絡，可實現移動監控，遠程監控。目前，有的基于LonWorks現場總線的智能家居和照明智能控制品牌已獨占一方。

3.3 ZigBee用于無線照明控制

ZigBee是受到蜜蜂按8字翱翔采蜜與群體通信的啟迪而開發，于2004年誕生，之后協議不斷完善升級。ZigBee網絡物理層和媒體訪問控制層，基于經濟高效的IEEE802.15.4標準，具有低速率(<250kbps)，短距離(一般10～100m，增大功率可達1～3km)，短時延(節點接入只需30ms)，大容量(最多5000節點)的特點。采用工業科學醫療頻段ISM(Industrial, Scientific and Medical)，915MHz(美國), 868MHz(歐洲)和2.4GHz(全球)，免執照。網絡拓撲可為星型、點對點、群集或網狀(Mesh)等配置，每一個Zigbee網絡模塊之間可相互通信，不僅本身可以作為監控對象，對所連接的傳感器直接進行數據采集和監控，還可以自動中轉別的節點傳來的數據。配合網絡協調器和路由器，每個網絡節點的距離可以從標準的75米無限擴展，類似于GPRS/CDMA移動網的基站，通訊距離可從標準的75米到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展,覆蓋范圍廣闊[18]。

ZigBee技術成本較低，功耗較小，使用簡便，芯片齊全，雖然晚于 “藍牙”短程通信技術，卻后來居上。目前，ZigBee無線通信技術在軍事和工業領域已被廣泛應用，并已成為物聯網的重要成員。在民用領域，ZigBee也得到很多廠商的重視，不少照明控制和智能家居品牌基于ZigBee技術。

ZigBee適合低速傳輸，數據量小，體積緊湊，價格低廉，覆蓋范圍大的組網需求，對照明領域非常合適。ZigBee網絡可以獨立構成一種智能照明和智能家居的無線控制網絡。LED結構緊湊的特點，使得嵌入ZigBee無線接口開發ZigBee網絡燈具變得容易。此外，開發嵌入ZigBee無線接口的照明開關面板，可以方便地替代原有的墻面開關，把電氣控制的家居照明升級改造為無線智能控制，無需改動原來的任何燈具和電源布線，而且成本較低，這些都應該引起照明界關注。

3.4 閃聯(IGRS)標準用于照明控制

閃聯-IGRS (Intelligent Grouping and Resource Sharing) 協議標準是中國本土技術創新制定的信息設備互聯標準，于2003年7月17日由“閃聯”標準工作組發布。“閃聯”是中國信息產業部牽頭，由聯想、TCL、康佳、海信、長城五家企業發起組建的聯盟。目前，“閃聯”的國內外成員已超過100家，在聯盟內部已形成了較為完整的產業鏈，包括閃聯芯片與系列電子產品。閃聯協議已成為智能建筑國家標準和國際標準[19]。

閃聯標準是建立在TCP/IP協議之上的應用層協議, 重點解決公共的“連接”問題，設計目標是實現“3C融合”(Communication、Computer、Consumer Electronic-電腦、 通訊、消費性電子產品)，“三屏共享”(電視、手提電腦，手機)和“三網融合”(電信網、互聯網、廣電網)。

閃聯標準可將局域網中的設備互聯拓展到廣域網(異構網)，并可與WSN(Wireless Sensor Network)、Zigbee、Z-wave (丹麥Zensys公司發布的無線網技術)、Wi-Fi、3G等通信技術的聯接和優化結合，完美實現多網融合與應用，包括有線與無線網。

閃聯標準的優勢是快速、方便、低成本、無線通信、自動發現、動態組網、資源共享和協同服務，可跨屏互動、智能控制、電能管理和無線辦公、娛樂等。

閃聯標準是適合初學者使用的網絡連接工具，無需了解很多IT相關知識，使用者可用PDA掌上電腦上網，控制自己家中空調的開機時間，處理照明燈光的亮、滅、調光與復雜的燈光場景，也能夠使各種家電和電腦在連機范圍內，互相識別，實現交互通信。例如，符合IGRS規范的筆記本電腦和TV互相發現后，筆記本電腦即可將所擁有的多媒體數據以數據流的形式分發到TV上進行播放，同時，筆記本電腦也可以接收TV傳來的電視節目流，實現電視節目實時存儲。

2007年，國際著名照明公司飛利浦已經加盟“閃盟”。基于閃聯的智能家居系統，已經被市場認可與推廣，包括照明智能控制。閃聯“云服務平臺”，可通過智能手機、PAD和PC機，發揮智能互聯、資源共享和協調服務的特色，閃聯智能家居網關，可構筑的照明控制或智能家居網絡，所有符合IGRS規范的各類照明控制設備和照明燈具均可接入，組成開放性的家居信息與控制網絡，構建節能、舒適、安全、便利的智能居住環境，見圖2。

圖2 基于IGRS的無線家居照明智能控制示意圖Fig.2 Schematic diagram of wireless Home Furnishing lighting intelligent control based on IGRS

目前，IGRS通信已成為物聯網的重要成員，基于閃聯的智慧家居和智慧城市的新概念正在實踐。閃聯標準的優勢將會是劃時代的，很快將會成就“大氣候”。照明界應敏銳領悟機遇的來臨，加快開發嵌入閃聯協議通信接口的各類燈具和家居產品，推動照明的智能控制，優化控制，使照明電能管理向高水平方向發展。

3.5 LED城市夜景照明控制系統

LED節能低碳，色彩豐富，控制性能優秀，燈具結構靈巧，在城市夜景照明中已基本取代高耗能的泛光照明技術，成為城市夜景照明的主流。同時，因為LED城市夜景照明工程項目的個性化，藝術創意的多樣性，而且對三基色LED色彩變幻場景的要求千差萬別，因此系統控制方案可以有更多選擇，商業化較強也是原因之一。近年來，非標的LED城市夜景照明控制系統層出不窮，不斷創新，成為重要特點[20]。

各種LED夜景照明的智能控制系統也是基于計算機通信控制的總線或網絡，或者是主-從控制的分布式系統。很多運用TCP/IP協議組網，可使一個網絡同時連接更多的LED景觀燈具，連接距離更長，在通信帶寬、控制質量和可靠性方面都能得到提高，遠程監測和控制更為有效，并且網絡成本較低。遵循TCP/IP通信協議標準，通過RS485、DMX512、ZigBee、GPRS/3G、CAN 、Wi-Fi等，采用五類線、光纖、無線傳輸，或網關、交換機或無線基站AP，可靈活擴展成為大型的多路的LED景觀照明控制系統，構筑五彩繽紛的LED燈光場景。系統還可實現便攜電腦、智能手機、平板電腦等手持終端，實現無線移動式燈光場景監控。

黃以華、廖世文等人開發出一種基于TCP/IP和DMX512協議的大型分布式LED景觀照明控制系統，由PC計算機(上位機)、控制器、解碼器以及LED 景觀燈具組成。PC機遵循TCP/IP協議與作為DMX512信號發生器的250臺控制器通信，每臺控制器再與三臺DMX512信號解碼器相連，每臺解碼器兼做信號中繼器并與56個LED 燈通信，解碼器對DMX512 信號進行頻率調制和信號增強，內部含有驅動電路的LED 燈具，采用PWM 實現256 級調光，系統采用分布式連接[21]。

王薇等人開發的總線式LED景觀照明系統，由PC機(上位機)、主控器(下位機)和多組三路輸出的驅動器組成，PC機由管理軟件負責LED參數設置；主控器是微處理機LPC2119，含有ARM內核，32位，64個通用I/O，可脫機運行，通過光隔離控制，形成LED白、紅、黃、淺藍、綠、橙、粉紅等七種顏色以及跑、跳、亮、閃、淡入、淡出等變化。通過現場總線CAN，可擴展成較大網絡[22]。

陸杭等人的LED景觀照明系統，由上位機控制軟件集中處理，并通過互聯網和3G/GPRS，與場景控制器通信，場景控制器再通過ZigBee無線網實現各路LED照明單元的光強及色彩變化，采用輪詢機制實時采集LED照明單元的狀態，實現與廣播幀同步的LED多彩照明場景轉換[23]。

丁國超等人開發的基于可編程片上系統SOPC(System-on-a-Programmable-Chip)的256色LED景觀燈控制系統，系統下層設計了可重用IP核(Intellectual Property core)的片上系統、MP3播放器和FAT(File Allocation Table)文件系統，通過上層軟件完成按照燈具及其布燈的燈光場景數據編制，經過仿真和預覽等步驟后，再下載數據到控制系統中實現對LED景觀燈具的控制[24]。

近些年來，中國LED景觀照明智能控制系統的開發與應用，百花齊放，推陳出新，呈現出一派興旺景象。但是，這些LED景觀照明智能控制系統，基本未涉及到本身運行參數監測和故障報警的功能，作為智能系統，的確存在重要缺陷。而遠程的城市景觀照明集中監控系統，對這種燈具數量龐大而又極其分散的LED景觀照明系統，難以解決現場參數監測和故障報警。然而，在目前的城市夜景照明中，高故障率、低可靠性的問題屢屢出現。LED景觀照明燈光演示，因故障時而發生的混亂景象，已成為城市夜景環境中的敗筆。因此，今后，LED景觀照明智能控制系統實現智能化的運行參數監測和故障報警，應該是主要研究課題之一。

3.6 城市路燈/景觀照明無線集中監控系統

3.6.1 概況

城市照明無線集中監控系統，一般由計算機控制中心，數據處理及監控軟件，地理信息系統(GIS)和全球定位系統GPS，無線電通信網絡等組成，可實現覆蓋城市全市路燈和景觀照明的集中監控與管理，包括：運行操作，節能管理，故障檢測與故障報警等[25，26]。

城市照明無線集中監控系統，應具有“遙測”(遠程測量)、“遙控”(遠程控制)和“遙信”(遠程通信)功能，即“三遙”；或在“三遙”基礎上再增設“遙視”(遠程目標圖像傳輸)和“遙調”(遠程能源管理)，成為“五遙”系統。有的企業還提出 “四遙”功能，即在“三遙”基礎上加入“遙急”功能(自動啟動應急預案)。目前，“遙視”功能普遍并不完善。

已有的城市照明集中監控系統的無線通信平臺，有的采用230MHz頻道的專用無線電通訊頻道，如：南京市的城市景觀照明無線集中監控系統，利用公安110的通信平臺。有的采用公用無線通訊網GPRS/CDMA，因為城市蜂窩式移動通訊網基本可無死區地實現全市無縫監控。此外，有的還運用互聯網通信。

目前，對道路照明節能控制方式主要有：(1)雙功率鎮流器半夜自動降功率，如：250W降到180W，或250W降到150W；(2)半夜自動降電壓，如：220V降到180V；這二種方法都不能做到優化節能。(3)采用隔一亮一、隔二亮一、單側亮燈、雙臂燈單側亮等關燈的方法。這些方法，同樣不可能優化節能，還會造成寬幅路面半幅黑暗，或道路軸線出現亮暗不均的“斑馬效應”，危及行車安全。此外，深夜電壓容易超標，對局部關燈方法非常不利，將會縮短燈具壽命。

上述這些簡單的道路照明節能控制方法，共同的弊病是：未考慮氣候影響，車流狀況，環境因素(例如樹蔭的影響等)，除了沒有優化節能，還缺少人性化，并埋下安全隱患。

3.6.2 物聯網用于公共照明無線集中監控

近幾年物聯網開始運用于城市路燈照明和景觀照明的無線集中監控系統中[27～29]。

上海世博會基于物聯網的公共照明監控系統，主要是由無線傳輸終端結合路燈控制設備二部分組成。系統可按不同需求，采集不同數據和控制方式，如：采集電流、電壓、功率；控制燈的開、關、降功率等。所有的數據，按ZigBee協議，通過物聯網終端設備連接到監控中心，而監控室的服務器只需連接到互聯網，系統可達到監控市區內的每一處路燈的狀態，并可以有效地控制和監測路燈的運行狀況。此外，物聯網終端設備還可提供單燈控制，監控可跟蹤到點，可加強每個路燈的管理和監控。

中易云物聯網科技提出了基于企業“云中心”的公共照明物聯網解決方案。系統為“四遙”功能，即：在“三遙”基礎上加入“遙急”功能(自動啟動應急預案)。

今后，4G將日趨成熟，將物聯網城市路燈/景觀照明無線集中監控系統建立在3G或4G城市無線移動通信網絡的構架上，更新換代，在數據的傳送速率和容量方面將比GPRS有全面提升，“五遙”系統將得以完善。

2013年，作者涉及的在滬寧高速公路試驗段的道路照明研究工作已經完成，今后跨越城際和省際高速公路的道路照明無線集中監控系統將會加速發展，對高速公路全程的“五遙”道路照明監測管理，將有更高的要求。

4 一體化固態智能燈具

近幾年，隨著LED進入主流照明，LED結合小型傳感器、集成電路，單片機MUC，特別是專用集成電路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)，涌現出了照明智能開關以及一體化的固態智能燈具新品[30～33]。

這種照明智能開關主要接受環境物理量的控制，實現光控、時控、聲控、紅外探測控制、雷達探測控制、超聲探測控制，或者上述物理量的雙參數聯合控制等，例如：聲光控自動開關；“紅外感應+光控”的自動開關；“雷達探測+光控”的自動開關等。由于現代微電子技術的發展，特別是LED等固態照明光源的進步，結構上已可實現把上述的智能電子開關嵌入到LED燈具內部，實現單燈自動化，構成一體化的智能燈具。這是一種離散式的非網絡化照明自動控制類別。

作為例子，一種可實現“人來燈亮，人走燈滅”節能照明的一體化紅外感應LED智能燈具，原理框圖如圖3所示。因為任何溫度高于-273℃(絕對零度)的物體或生物都會有紅外線輻射，采用熱釋電紅外線傳感器和菲涅爾透鏡構成探測單元。菲涅爾透鏡前加上一種濾光片，使紅外光線通過的中心波長為9μm—10μm，專用于體溫37℃人體的紅外輻射探測，抑制其它輻射干擾。菲涅爾透鏡提高探測器的光學靈敏度以增大探測距離。延時電路實現燈具點亮后適當延長點燈時間，以確保人們步行行走距離上有足夠時間的安全照明。有的還帶有智能化的延時功能，開關在檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次人體活動為延時時間的起始點。

圖3 一體化紅外感應LED智能燈具原理框圖Fig.3 Integrated infrared induction principle diagram of LED lamp

還有一種例子，是微波雷達探測控制的LED雙亮度智能燈具。基于微波的“似光性”和多普勒效應，采用集成化小型平板式雷達天線，結合鑒頻技術，單片機和與雷達探測器控制信號接口的LED變功率驅動電源，可實現LED燈具的雙亮度照明。如：“人來燈亮，人走燈暗”，燈亮時100%亮度，燈暗時降為30%亮度，特別適合地下建筑或晚間背景光很弱場合的人性化節能照明。圖4所示為一體化微波雷達雙亮度LED智能燈具的控制策略。

圖4 一體化雙亮度LED雷達感應燈具的控制策略Fig.4 Control strategy of integrated double brightness LED radar induction lamp

一體化固態智能燈具的發展，可簡易實現照明節能，應用靈活，成本較低，可靠性高，廣泛推廣所引起的經濟效益和社會效益非常顯著。目前出現的一體化固態智能燈具只是智能燈具的雛形，今后必將沿著準確可靠控制和功能品種豐富的方向發展。

5 創新與超越

5.1 優化控制

在此，以道路照明為例討論優化節能控制。據統計，2012年中國城市的道路照明和景觀照明用電量約占中國總發電量的4%至5%，約相當于三峽電站發電總量的900億千瓦時。2012年底，全國等級公路約360萬公里，高速公路約10萬公里，居世界前列，大部分尚未考慮道路照明。目前，為大幅減少交通事故率，滬寧高速公路試驗段的照明研究已經完成，今后如果高速公路和部分等級公路都實施道路照明，中國目前路燈數量超過2000萬盞的數字將會急劇增加，耗電將暴增，加強節能迫在眉睫。

在能源危機，節能低碳的嚴峻形勢下，道路照明節電應在推廣新能源照明和LED照明的同時，提升節能控制水平，進一步提升節能效率。而優化節能，則是照明智能控制技術肩負的首要歷史使命[34，35]。但是，目前的道路照明節能控制手段，遠未達到優化節能控制的目標，甚至落后于建筑照明智能控制的節能水平。對道路照明，如果僅采用路燈定時ON/OFF控制或簡單的降功率控制策略，不可能把實際的照明功率密度值(LPD)降到理想境界，而且也不夠人性化。

為提升道路照明或公共照明的節能管理水平，挖掘照明節能潛力，真正實現高效的人性化節能管理，應淘汰傳統的道路照明監控方式, 作者認為應建立新型的基于物聯網平臺的系統集成的道路照明能源優化控制系統RLEOCS(Road light energy optimization control system)。

RLEOCS提升道路節能管理水平的關鍵，是要從原來粗疏的監控方式轉變為實時動態監測與優化控制。為此，首先，應該全面掌握道路的動態參數,如圖5所示；第二，在物聯網應用層要按自動控制理論，完善優化控制方法，建立完善的實時分析處理軟件系統和數據庫，并集成對應的GPS衛星定位系統、地理信息系統(GIS)、本地氣候預報系統、應急預案系統、照明能源管理系統；第三，實現道路現場動態參數可靠的自適應的優化實時監測與控制，系統方案示意圖見圖6。

圖5 道路照明的動態參數Fig.5 The dynamic parameters of road lighting

圖6 物聯網道路照明能源優化控制系統示意圖Fig.6 Road lighting energy optimization control system diagram based on the Internet of things

在物聯網感知層對現場復雜多變的動態參數實時檢測，需要集成光電、雷達、聲學、電能、圖像、氣象等傳感器和檢測設備，實時監測交通流量、環境照度、光源光衰、實時氣候、背景亮度、電壓波動等動態參數的變化，按晝夜規律實現優化控制，并建立預警機制。

物聯網感知層采集和探測的道路動態信息，通過物聯網的網絡層，由互聯網、公用網GPRS/3G/4G或ZigBee等,與應用層交互通信，M2M(Machine to Machine)。應用層的控制信號與指令，通過網絡層抵達道路現場的路燈群組。 路燈應嵌入物聯網通信接口，自主聯網，或通過物聯網終端、物聯網集控器聯網，系統實現“五遙”。

“云端”是為了與建設中的開放式國家級的“云服務中心”互聯，如：“感知中國”中心等，以得到照明控制數據分析計算的遠程支持，以簡略本地系統。

在控制策略上，為精準節能調節，對路燈亮度需實時、動態、連續平滑調整，為此應采用LED路燈，淘汰氣體放電燈；為簡化系統，并區分路段地理特征，系統應實施區分路段的群組燈具道路照明場景控制，以及按晝夜規律區分時段的群組燈具照明場景控制；為可靠監控和故障報警，系統實現聯網到燈，檢測到燈，監控到燈，跟蹤到燈。

5.2 新型智能燈具

智能控制技術可助LED、OLED、QLED等固態光源挖掘超越傳統功能的潛能。LED等固態光源全固態化，光譜豐富，光效極高，電控性好，“細胞結構”，低壓運行，堅固耐用。超越傳統功能的創新沒有智能控制，只依靠光源自身是無能為力的。智能化控制技術，光生物科學成果，微型傳感器技術，微電子器件IC,博采眾長，助LED一臂之力，正繼續傳統光源與照明未竟的事業，將會成就史詩般的夙愿，見圖7。以下討論固態光源超越傳統照明功能的技術思路[36～52]。

圖7 智能控制技術助固態光源超越傳統功能Fig.7 Intelligent control technology to help a solid-state light source beyond the traditional function

5.2.1 多鑒控制智能燈具

一體化固態智能燈具，可實現“人來燈亮，人走燈滅”的節能照明，目前尚處發展初期，如果僅能探測諸如聲響、紅外輻射或多普勒頻移等單一物理量，可靠性有限。

“單一聲控”可能會受到雷雨和環境噪聲的干擾而誤動作。“單一紅外感應”易受熱源、直射陽光干擾，窗門、空調的熱風口效應也可能造成失誤；此外，人體輻射的紅外線穿透能力差，冬天易被衣著阻檔，造成失靈；當環境溫度與人體溫度接近時，紅外探測的靈敏度也會下降。寵物貓狗，老鼠昆蟲等小型動物有時也會造成錯判。微波雷達多普勒頻移探測，比其他感應開關可靠一些。但是，實踐證明電氣設備的電磁泄漏也會變成假信號。采用以下技術改進，可大幅提高一體化固態智能燈具的可靠性。

“雙鑒”即應用兩種物理量同時探測，如：紅外探測加上微波雷達探測等，將提高可靠性。

“多鑒與信號處理”，如：紅外探測加上微波雷達探測，再結合微處理或DSP數據處理器進行智能信號處理，可以對探測信號進行分析與再鑒別，避免誤判，可靠性明顯提高。

5.2.2 幕簾式紅外感應燈

一體化幕簾式紅外感應燈具的幕簾式紅外探測器，通過特種光學設計，可以改變紅外輻射探測傳感器的立體角，使得 X方向探測角度大幅減小，而垂直方向依然是180°的大扇形，探測立體角變成了好像是一種幕布或窗簾，即：幕簾。紅外探測的抗干擾能力大幅提高。一般，幕簾式探測器的探測平面設計成與人員行走的水平方向垂直，或也可雙幕簾式。幕簾位置可靈活設置，如：置于走廊人員穿越的位置上，或放在人員進出的門口，或水平地置于人體高度位置上，還可以按身體高度鑒別等。

5.2.3 晝夜節律動態照明燈

非視覺的光生物效應揭示了光對人體健康、工作效率、睡眠影響的功效。燈具通過照明光通量、光譜分量與時間的自適應晝夜動態調節，實現晝夜節律動態照明，將可以使人們白天高效率地工作，休息時放松溫馨，夜晚像嬰兒一樣深度睡眠。

5.2.4 恒照度燈

天然光采光與人工光源照明結合有利于照明節能。一體化燈具內的照度傳感器，按照明標準要求，實現燈具的恒照度連續調節，無論晴天、陰天、間智能控制照度調節，持之以恒。

5.2.5 長壽命燈

LED光效極高，實際上已經給通過智能熱管理，延長LED壽命，提供了機遇，一體化長壽命LED燈具在光效和壽命之間權衡利弊，將應付自如。

5.2.6 模擬天然光燈(全可見光光譜燈具)

天然光對人體的健康、工作效率、心理、生理、情緒的功效，是人工光源所不可替代的。天然光照明舒適愉快。天然光照明的教室，學生思想集中，考試成績更優。

特別對于地下建筑，如：地下商場，地鐵，隧道，地下商業街，地下軍事建筑，防空設施，戰略隱蔽建筑，礦井，潛艇，宇宙飛船，醫院等，一體化的模擬天然光燈具(全可見光譜燈具) 將會得到青睞。嵌入式的智能技術，將把LED全光譜的優勢發揮盡致，燈具的光譜能量分布特性調節模擬至天然光水平，這是傳統光源望塵莫及的。

5.2.7 汽車智能前大燈

自適應復雜行車狀態，自動光譜調節穿透霧氣，會車時大燈指向自動調節，遠光、近光、強光、弱光、控光(配光特性)自動調節，前方遇障前投射光指向(方位角與俯仰角)自動調節。

5.2.8 植物生長燈

光對植物的生長至關重要。光譜對植物如同肥料和營養劑。研究表明，例如：400～520nm(藍色)和610～720nm(紅色)的光譜，對于光合作用貢獻最大；520～610nm(綠色)的光譜，被植物吸收的比率很低。此外，不同的農作物、蔬菜或樹木，對光譜喜好并非相同。植物在生長期的各個階段，對光譜偏愛也不盡相同。智能控制技術結合LED光源可以實現植物生長燈的光譜與時序關系的控制。

5.2.9 老人照明燈

老年人視網膜功能衰弱，水晶體硬化，透光能力減弱，識別藍色和綠色的能力變差，瞳孔變小，80歲老人的瞳孔白天和夜晚的收縮差接近于零，而且對眩光敏感，受到眩光影響后恢復能力減弱。因此，對老人的照明需求與普通人不同。光譜和光通量都要適時調節，特殊設計，并智能控制。

5.2.10 光理療燈

非視覺光生物功效證明，光如同藥物一樣可以治病，幾乎從來沒有一種激素能如光那樣對人類產生如此大的作用，而且沒有化學藥物的種種副作用。405～420nm藍色光譜對老年癡呆癥、抑郁癥、情感障礙、粉刺有效；600～950nm紅光還可以治療皺紋和酒糟鼻。基于智能控制技術的“光理療燈具”，可以像藥物用量一樣，對光譜、光強、時序等因人而異進行智能調節。

5.2.11 兒童智力開發照明

美國有研究表明，兒童智力的開發應該從視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺五個方面入手，豐富的色彩可通過兒童的視覺影響兒童的智商、情商和性格。長時間接觸黑白色會對兒童的性格產生不良影響，藍色燈光有利于提高孩子的智商。智能控制可以調節燈光的色彩促進培養兒童聰明健康成長。

5.2.12 動物生長燈

動物生長與照明光譜密切相關，光譜和光強對飼養動物的作用，甚至比飼料還要重要。例如： 紅光能使雞群安靜，推遲性成熟，提高產蛋量；綠光提高雞的增重率，加快性成熟，增強公雞繁殖力；藍光也能增強公雞的配種力。此外，長時間光照能促進雞的性成熟，阻止換羽。在冬季、春季，適當增加光照可提高雞的產蛋量；短時間、低強度光照在雞的育肥期有利于體內脂肪積累，對育肥有利。LED智能控制，對光強和光譜智能調節，可達到養雞的最佳經濟效益。

5.2.13 LED發光建筑裝飾材料

固態光源如同細胞般的結構，融合于建筑材料是發展方向之一。而結合智能控制技術，融入藝術創意，將會產生令人震撼、刺激、神奇、驚嘆、高雅、溫馨、美妙、趣味的藝術與心理效應，極具觀賞價值，極有應用市場，極有發展前景。智能控制的LED建筑材料，將建筑、照明和裝飾融為一體，動/靜結合自如，將改變建筑的設計方法和人類的生活方式，產生深遠的影響。如果沒有智能控制技術，則LED建筑材料將會黯然失色。

6 展望未來

6.1 從智能控制到智慧控制

毫無異議，未來的照明智能控制技術，仍將與人類的高新技術并肩前進。未來的人類將全面進入智慧社會。智慧就是一種對事物迅速、靈活、正確、全面綜合理解和正確處理的完美能力。因此，智慧控制必然高于智能控制。從電氣化到智能化，再步入智慧化，這是照明控制技術發展的必然。從智能控制發展到智慧控制，必須要讓控制系統像人一樣去做符合人腦思維的事情。這就是人工智能AI(Artificial Intelligence)。而人工智能、空間技術和能源技術曾被稱為是20世紀70年代以后世界的三大尖端技術之一。到了21世紀，人工智能仍然與基因工程和納米科學一起，被列為未來三大尖端技術之一。可見人工智能始終是人類追求的目標。目前，人工智能的研究進展，首先是讓機器實現更高層次的感覺與辨識，機器感覺、機器視覺、機器聽覺、機器思維等都要和人雷同，現在人臉識別、指紋識別、虹膜識別、掌紋識別、意念控制都已獲得進展。一種專門為殘疾人服務的“意念控制機器人”已經實現。殘疾人沒有雙手，甚至不能言語，想喝水的時候，機器人就會端一杯水給他，要吃蛋糕，機器人就會送過來。在中國，這種機器人已經有了樣機。“意念控制”已不神秘，也不遙遠，更不是夢。

6.2 意念控制

不久以后，智慧照明系統就是人工智能系統，具有與人 “意念交互”的能力。“智慧家居云服務平臺”或“智慧網關”，將會按人工智能跟著你的思維去工作，管理好智慧照明系統，讓照明光環境完全與你的思維情投意合。當然，人與“智慧家居云服務平臺”或“智慧網關”的 “腦機交互”、“意念溝通”，也有“協議”要遵守的，也要有意念流交互的地址碼、起始碼、確認碼和結束碼，這種“意念碼”屬于人工智能系統能辨認的 “意念數據流”。而“智慧家居云服務平臺”也會像現在的尋址功能一樣，自動識別是“誰”在指揮，該不該聽從指揮。

6.3 自由組網

不久以后，照明智慧控制系統將會在今天自由拓撲、自由傳輸介質、無線通信、自動發現、動態組網的成就上，實現自由組網。

屆時LED等固態智能燈具將全都會嵌入智慧網絡接口，而無線的“智慧家居云服務平臺”或“智慧網關”將會全面受理你接入的任何燈具，會按你的“想法”指揮組網，大量智慧照明燈具將“接入后不用管”，也無需你再去搞更換接線、編程、按鍵這些麻煩的事情了。系統越復雜，功能越強大，而操作必將更為“傻瓜化”。任何學前兒童都能應付自如。

6.4 自由燈光場景

同樣，不久以后，智慧家居，在自由組網基礎上，將實現自由燈光場景，“智慧家居云服務平臺”或“智慧網關”將按你的“需要”，實現任意燈光場景。如果明天你改變主意了，那么，就按你的新主意實現新的燈光場景，重新調整所有燈具的不同亮度或不同光譜。你是怎么想的，燈光場景就是什么樣的。

6.5 智慧優化控制

人們總是埋怨現在的傳感器太遲鈍，計算機也太笨了。智能控制總是不盡如人意，甚至貌合神離。不過，不必擔心，按照目前國際上研究的階段成果，基于生物芯片的生物電腦或光子計算機未來的傳遞信息和運算速度將比人腦思維快100萬倍，存儲量可以達到普通電腦的10億倍，目前已制成的生物電腦分子電路和顯微電路，只有現代計算機硅片集成電路的十萬分之一大小，嵌入傳感器內將產生神奇的性能。因此，不論優化控制的模型有多么復雜，真正的優化將迎刃而解。

7 結語

現在可以概括以下幾點，作為文章的結尾。

(1)智能控制與固態光源聯姻，必將突破傳統的照明方法，超越傳統照明的功能，扭轉乾坤，進一步改變人類的生活方式。

(2)節能照明是智能照明控制首要的歷史使命。目前，道路照明的節能控制是薄弱環節。高速公路和等級公路的照明已經提上議程。提高道路照明優化節能控制的水平迫在眉睫。而推廣LED道路照明燈具與基于物聯網的優化節能控制系統融合，是優選方案，應加速研發。

(3)實現優化控制的目標是照明智能控制系統的核心任務，而先進的網絡通信架構是實現核心任務的技術保障之一。室內外照明的智能控制，應深入研究照明優化控制的理論，創新系統設計方案。

(4)照明智能控制已進入無線通信、自由拓撲、自由傳輸介質、自動發現、動態組網、光波通信的全新階段，陳舊的網絡技術將可能面臨重新洗牌，淘汰出局。全新的“意念控制”、“自由組網”、 “自由燈光場景”技術將會誕生。

(5)“云”概念已進入快速的實踐與擴張階段，將把人類的信息化推向前所未有的全新高度。“云”的生命力之一在于“云端”的幫助，可簡化用戶的信息設備，增強基礎設備的功能。不久，諸如 “云燈具”等智能照明設備將應運而生，而且功能強大，且價格不會太高。

(6)在照明領域，從道路照明控制到智能家居，物聯網的應用正在擴大。而開發嵌入通信接口的智能燈具和對應的監控設備，則是至關重要的基本任務。

(7)今后，建筑室內照明和家居照明控制將首選簡便的無線通信架構，家居照明控制將逐步融合到智能家居系統中。

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